基于HX711多功能的智能電子秤的設計

梁芳芳

廣東工程職業技術學院，廣東 廣州 510520

隨著社會的發展及科學的進步，早期傳統純機械結構的單一計重秤已無法滿足現代社會的需求。精度高，成本低，操作簡單，容易識別，計重和計價集于一身，既能精確、快速直觀顯示結果，同時還能將最終結果實時傳送到指定目的地的新一代智能電子秤成為秤的發展趨勢。對此，文章開展了基于Wi-Fi技術、互聯網技術和高精度的24位模數（AD）轉換器HX711智能遠程監控等多功能電子秤的設計。

1 系統總體方案設計

1.1 系統框圖設計

文章所設計的智能電子秤主要是通過壓力傳感器模塊將物體的重量信息轉換成模擬的電信號，并將模擬電信號傳送到模數轉換器進行抽樣、量化、編碼轉換成數字信號，然后通過MCU傳遞到LCD液晶顯示屏、藍牙模塊、構成RS232接口或者USB接口的串口模塊等各個終端。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

1.2 壓力傳感器的選擇

壓力傳感器采用的是電阻應變式橋式電路，如圖2所示。其中，R1和R2是壓力應變式電阻，當應變式電阻沒有受到外來力量的作用時，電阻值保持不變；但是當物體放到秤體上時，應變電阻感受到外來力量F的作用，應變電阻會發生相應的變化，拉伸變形。設拉伸的長度變化了ΔL，則應變電阻的橫截面積會同時發生變化，即橫截面圓的半徑會減少，假設變化量為Δr。電阻率的計算公式如下：

圖2 電阻應變式橋式電路

式中：ρ為電阻率；R為電阻值；S為橫截面積；L為長度。

由公式（1）可知，電阻率是和構成電阻材料的長度成反比，和電阻材料的橫截面積成正比，當應變電阻受到外力F作用時，長度L和橫截面積S都發生了相應變化，則電阻率也會發生變化。這時電阻應變式橋式電路則將電阻阻值的變化值轉換成電壓值，并輸出到模數（AD）轉換器。

1.3 模數轉換器（AD）的選擇

模數轉換器（AD）是多功能智能電子秤設計的關鍵核心部分。現在市場上的AD芯片（模數轉換器）各式各樣，有并行接口的，有串行接口的，有快速轉換的，有慢速轉換的，有低分辨率的，有高分辨率的。根據秤的需求及使用特點，秤對于轉換速度要求不高，接口方式也沒有特別的要求，但是對于分辨率也就是稱重的精準度有一定的要求，這也是電子秤設計的關鍵。根據不同的量程，分辨率有不同的要求，而這個分辨率（精準度）直接由所選擇芯片的位數來決定。由下列公式可以確定采樣的級數Q及位數k：

以量程為5kg、精度為0.1g的秤為例，說明介紹AD芯片輸出的位數的選擇，經過計算級數Q為5000÷0.1×10=500000， 由 218=262144 ＜ 500000 ＜ 524288=219， 模 數轉換器（AD）的位數k的最小值為19，即電子秤所選擇的AD模數轉換器的輸出位數最小為19位，而實際中的AD模數轉換器沒有19位的，只有20位的、24位的、32位的等。經過綜合考慮秤體的成本、接口要求、轉換速度的要求，選擇采用海芯科技集成電路專利技術的高精度24位模數（AD）轉換器HX711的芯片。HX711引腳圖如圖3所示。

圖3 HX711引腳圖

HX711為串口數據輸出總線型的模數（AD）轉換器，內部包含穩壓電源、時鐘振蕩電路等其他類似芯片所必需的外圍電路，集成度高，響應時間短，抗干擾能力強等。選擇該芯片可以降低智能電子秤的整機成本，對整機的可靠性有一定的保證。

芯片的主要特性如下：（1）有A通道和B通道兩路通道，其中A通道的增益有128或64，可根據需要進行選擇，B通道的增益則固定為32，用于檢測系統參數；（2）輸出數據的速率也有10Hz和80Hz兩種；（3）時鐘振蕩器靈活，可選擇片內的，也可以由外部提供；（4）從管腳輸入控制信號，不需要對內部的寄存器進行編程，可以簡化整個設計的過程；（5）芯片內部包含的穩壓電源除了可以給自身提供電源，還可以給外部的傳感器供電，電壓范圍為2.6～5.5V；（6）上電時電路自動復位；（7）滿額度差分輸出范圍V（inp）-V（inn）為±0.5（AVDD/GAIN）V。

1.4 MCU模塊及液晶顯示屏的選型

MCU系統的模塊采用的芯片型號為STC89C52，這個芯片是8位的CMOS微控制器，具有功耗低、性能高的特點，還可以為多數嵌入式控制應用系統提供解決方案。MCU引腳圖如圖4所示。

圖4 MCU引腳圖

液晶顯示屏選擇的是型號為LCD1602的顯示屏，這個型號的顯示屏有兩種模式，一種是有背光16腳的接口，另一種是沒有背光的14腳的接口。基于電子秤的工作環境，文章采用了16腳接口的有背光的顯示屏。其中，“1602”是指所能顯示總的字符數，“02”是指顯示屏可以顯示兩行，“16”表達的是每行顯示16個字符，這個芯片每次總共可以顯示32個字符，因此也叫字符型液晶，這些字符可以是字母，也可以是數字或者其他符號，完全滿足多功能智能電子秤設計的需求。

1.5 接口模塊電路芯片的選型

由于現在使用的計算機有些不再配置DB9接口，為了實現計算機和單片機之間的通信，需要采用相關能夠將MCU傳送過來的TTL信號轉換成PC機所能識別信號的芯片。這里接口模塊電路采用的芯片型號為CH340，引腳圖如圖5所示。這個芯片是一個USB總線的轉接芯片，可以將MCU傳送過來的TTL信號轉換成PC機所能識別信號的功能。

圖5 CH340引腳圖

CH340芯片的主要特性如下：（1）外圍器件增加晶體和電容，可以設計成全速USB設備接口并能向下兼容USB V2.0；（2）屬于仿真標準串口，通過外接相關的電平轉換設備，USB接口轉換成其他相對應的接口，例如RS232、RS42等接口，可人為增加額外的串口；（3）不需要作任何修改，完全兼容PC機終端的操作系統下的串口應用程序；（4）屬于硬件的全雙工串口，支持通信的波特速率為50～2×106bps；（5）CH340外加紅外收發器即可成為紅外線發射接收的適配器，實現SIR紅外線通信。

2 硬件電路的設計

2.1 HX711的外圍電路的工作原理

JC8接壓力傳感器，JC8端口1接AVDD，JC8端口2接GND，JC8端口3接HX711 7腳通道A的負輸入端INNA，JC8端口4接HX7118腳通道A的正輸入端INPA，JC8端口5接HX7119腳通道B的負輸入端INNB，JC8端口6接HX71110腳通道B的正輸入端INPB，JC9端口3接HX71112腳。DOUT對接單片機的16腳，JC9端口2接HX71111腳，PD_SCK對接單片機的17腳，JC9端口1接VCC，JC9端口4接地。通過HX711芯片將壓力信號（模擬信號）轉換成數字信號，并通過相對應的11腳和12腳傳送到CPU。HX711外圍電路圖如圖6所示。

圖6 HX711外圍電路圖

2.2 液晶顯示屏電路的設計

CPU將HX711轉換的數字信號進行處理，通過CPU芯片的P00-P07這8個數據輸出端口傳送到LCD1602的DB0-DB7這8個數據輸入端，則智能電子秤的相關秤重信息就會一目了然地顯示在液晶顯示屏上，當物體的重量超過限重時，還會發生報警提示。具體電路結構如圖7所示。

圖7 液晶顯示電路設計圖

2.3 串口電路的設計

多功能智能電子秤設計的過程中，串口模塊的設計是多元化的，而且進行了多個預留。主要是通過復接MCU的端口10和端口11輸出的TTL信號，設計多個接口電路，可以多方式地為用戶提供秤體稱重的相關信息。RS232接口的接口電路可以直接和PC機終端直接連接實現數據的傳送；USB接口電路采用CH340芯片，可以方便下載或上傳數據，或者通過連接其他的轉接口實現其他接口功能，設計電路如圖8所示。Wi-Fi接口電路可以實現數據的無線傳輸，在終端設備裝載相關的小程序，可以遠程監控相關的信息，具體如圖9所示。多種接口電路的設計，使得智能電子秤可在不同的環境使用。

圖8 USB接口電路

圖9 Wi-Fi接口電路

3 軟件設計

多功能智能電子秤的軟件設計包括初始化模塊，讀取數據、標定模塊，稱重模塊，設置模塊，模數轉換模塊、接口傳輸模塊，數據存儲模塊等。主程序流程圖如圖10所示。

圖10 主程序流程圖

3.1 主程序設計

3.2 HX711數模轉換函數，讀出結果

3.3 遠程控制，通信協議設置函數

3.4 測試

為了檢測多功能電子秤功能，可以借助網絡調試助手進行檢測。當秤體連接第三方路由器的Wi-Fi時，移動終端和PC終端都可以通過秤體的Wi-Fi、第三方路由器的Wi-Fi接收秤重數據，上傳數據即遠程實時監控。PC終端實時監控的稱重數據如圖11所示。

圖11 遠程數據

4 結束語

隨著電子技術的高速發展，使得各種電子產品的功能越來越多樣化。文章通過結合HX711、CH340及STC89C52等芯片設計的智能電子秤，具有穩定性好，多樣化、功能強大的特點，無論在超市，大型的農貿市場、農作物的收購等地方都適用，由于智能電子秤具有數據上傳，遠程監控等功能，在進行垃級分類處理、醫療廢物處理、礦山（稀有金屬）開采等場合也適用的，應用場景非常廣泛。